某型發(fā)動機燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子輪緣裂紋分析

摘 要：找出葉片在工作過程中出現(xiàn)裂紋的原因，對解決該類故障并預(yù)防其再次發(fā)生有著非常重要的意義。本研究對發(fā)生裂紋的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子進行宏觀檢查分析、熱應(yīng)力分析、強度分析以及葉根倒角半徑對輪緣應(yīng)力影響分析，確定裂紋性質(zhì)及裂紋產(chǎn)生原因。結(jié)果表明，只考慮溫度載荷的情況下，裂紋出現(xiàn)位置存在較大的周向壓應(yīng)力，是燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素；燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子強度滿足要求，開裂原因是在葉根倒角半徑與通道轉(zhuǎn)接處受到的熱應(yīng)力較大，并在離心載荷與振動載荷等綜合應(yīng)力作用下，發(fā)生疲勞開裂；增大燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子葉根倒角半徑，輪緣最大等效應(yīng)力及裂紋處應(yīng)力減小，裂紋產(chǎn)生的可能性降低。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片；裂紋分析；熱應(yīng)力；強度分析；疲勞斷裂

中圖分類號：V232.4" " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " " " " 文章編號：1007 - 9734 （2024） 03 -0012 - 06

0 引 言

燃?xì)鉁u輪葉片是燃?xì)廨啓C最具有代表性的重要零件，它的質(zhì)量及工作好壞對發(fā)動機的工作效率、安全性及可靠性產(chǎn)生直接影響[1，2]。由于渦輪葉片運行工況惡劣，承受高溫、高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力，經(jīng)常發(fā)生斷裂，渦輪葉片常見斷裂模式為疲勞斷裂及蠕變斷裂。疲勞斷裂多發(fā)生在一階彎曲最大應(yīng)力區(qū)或榫頭部位。引起疲勞斷裂的常見原因有振動、材料缺陷、加工損傷、磕碰傷及葉身偏薄等問題[3]。葉片強度、振動裕度不足，更是導(dǎo)致葉片疲勞斷裂的主要原因之一[4]。在葉片斷裂失效案例中，疲勞失效所占的比例較高，對發(fā)動機造成的危害很大[5-7]，針對上述問題，大多選擇更換更加合適的材料，以提高其強度儲備系數(shù)及共振裕度。葉片在工作過程中出現(xiàn)裂紋時，找出裂紋產(chǎn)生的原因，對解決該類故障并預(yù)防再次發(fā)生有著非常重要的意義[8-13]。

國內(nèi)外對于渦輪葉片的裂紋問題開展了諸多研究。歐洲在“PREMECCY”計劃中指出，研究葉片裂紋形成機理對于葉片壽命預(yù)測有至關(guān)重要的作用[14]。Issler[15]首次使用渦輪葉片模擬件進行實驗，對SWT疲勞壽命模型在渦輪葉片低周疲勞壽命預(yù)測中的準(zhǔn)確性進行了驗證。Smith和Ghadiali[16]對葉片葉根處的裂紋進行分析時，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生位置與結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力位置不一致。付娜[17]通過雨流計數(shù)法，對渦輪葉片和渦輪盤進行了壽命預(yù)測。車明[18]等通過西門子等效運行小時方法，對葉片進行了蠕變—疲勞壽命分析。陳志英[19]等將響應(yīng)面法與果蠅優(yōu)化算法相結(jié)合，對渦輪葉片進行了優(yōu)化設(shè)計，提高了渦輪葉片疲勞蠕變壽命的可靠性。

本研究對發(fā)生裂紋的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子進行宏觀檢查分析、熱應(yīng)力分析、強度分析以及葉根倒角半徑對輪緣應(yīng)力影響分析，確定裂紋性質(zhì)及裂紋產(chǎn)生原因。

1 燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子裂紋分析

某燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子在進行1000小時持久試車后，對轉(zhuǎn)子進行熒光無損檢查，發(fā)現(xiàn)在進、排氣邊沿葉根倒角半徑切線方向每片葉片均存在裂紋。如圖1所示，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子在進氣端葉背葉根處、進氣端葉盆葉根處以及排氣端葉盆葉根處均存在裂紋，經(jīng)進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)其裂紋深度達(dá)到200μm。圖2為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子裂紋位置示意圖。

2 燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子葉片有限元分析

2.1" 有限元模型建立

圖3為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子幾何模型。如圖所示，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子為整體式結(jié)構(gòu)，其上分布著29個葉片，葉根倒角半徑為3mm，材料為GH4710。通過查詢《中國航空材料手冊 第二卷》可以獲得GH4710的材料參數(shù)[20]。經(jīng)查詢GH4710的密度為8.08g/cm3，GH4710的泊松比為0.3，GH4710在不同溫度下的線膨脹系數(shù)如表1所示，GH4710在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示，GH4710在不同溫度下的彈性模量如表3所示。

本研究采用WORKBENCH2020R2進行仿真計算。燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子為循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計算時間，提高計算效率，在仿真時，依據(jù)葉片輪廓形狀選擇帶有一個葉片的1/29模型，進行循環(huán)對稱計算。

圖4為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子網(wǎng)格模型。如圖4所示，葉根處存在倒圓，為了在仿真時保留倒圓結(jié)構(gòu)特征，采用尺寸較小的四面體網(wǎng)格對葉根部分進行網(wǎng)格劃分。其余部分采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，各部分網(wǎng)格應(yīng)用“綁定”命令結(jié)合在一起。首先，對燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，葉根處進行網(wǎng)格加密處理，其次選取轉(zhuǎn)子的最大等效應(yīng)力作為網(wǎng)格無關(guān)性的判定依據(jù)。

表4為網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果。如表4所示，葉根加密后計算選擇0.6mm的網(wǎng)格可以在保證計算效率的情況下滿足燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子的計算精度。

燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子主要承受載荷有離心載荷、氣動載荷、溫度載荷。離心載荷以轉(zhuǎn)速形式施加在整個計算模型上，溫度載荷和氣動載荷通過氣動力計算結(jié)果加載至計算所用的循環(huán)對稱模型中。

2.2" 熱應(yīng)力分析

溫度載荷是渦輪轉(zhuǎn)子破壞的關(guān)鍵因素，因此，本研究首先分析了渦輪轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。圖5為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子全工況下溫度分布。如圖5所示，在全工況下，轉(zhuǎn)子的最高溫度為910.2℃，位于葉片中部，最低溫度為720.0℃，位于輪盤中心處。

在計算模型僅施加溫度載荷的情況下，對燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子所受應(yīng)力進行計算（見圖6—圖8）。如圖6所示，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力最大為106.9MPa，位于葉根處，且裂紋出現(xiàn)位置的熱應(yīng)力較大。進一步，分別提取葉片周向和徑向應(yīng)力進行分析。如圖7和圖8所示，在裂紋出現(xiàn)位置，存在較大的周向壓應(yīng)力，但徑向應(yīng)力較小。綜上，溫度載荷產(chǎn)生的周向壓應(yīng)力是燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

2.3" 強度分析

在模型中同時加載離心載荷、溫度載荷和氣動載荷對燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子強度進行計算（見圖9—圖12）。如圖9所示，轉(zhuǎn)子最大等效應(yīng)力為613.6MPa，位于葉根倒角半徑處。GH710材料在815℃時屈服強度為655.0MPa，滿足強度要求。如圖10所示，對輪緣等效應(yīng)力進行分析，裂紋處應(yīng)力明顯小于葉根處。如圖11所示，對輪緣周向應(yīng)力進行分析，輪緣周向應(yīng)力最大為286.6MPa，裂紋處于次應(yīng)力區(qū)，進氣邊葉盆處應(yīng)力較大。如圖12所示，對輪緣徑向應(yīng)力進行分析，通道及裂紋處徑向應(yīng)力較小，對裂紋的影響不大。

燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子工作溫度較高，且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式為整體盤，所以葉片葉根倒角半徑與通道轉(zhuǎn)接處，由于結(jié)構(gòu)原因所受熱應(yīng)力最大。綜上，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子在葉根倒角半徑與通道轉(zhuǎn)接處受到的熱應(yīng)力較大，并在離心載荷與振動載荷等綜合應(yīng)力作用下，在裂紋處產(chǎn)生疲勞開裂。

2.4" 葉根倒角半徑對輪緣應(yīng)力影響研究

在轉(zhuǎn)子制造時，葉根倒角半徑的尺寸難以精確控制，會對轉(zhuǎn)子應(yīng)力產(chǎn)生影響。本節(jié)對不同葉根倒角半徑下燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子輪緣應(yīng)力進行計算分析。在其他工況不變情況下，分別計算得到R為2.5mm和R為3.5mm時燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子輪緣的應(yīng)力情況，如圖13到圖18所示。

表5為不同R角受力情況。如表5所示，隨著R角的增大，無論是最大等效應(yīng)力，還是裂紋處的等效應(yīng)力、周向應(yīng)力都是逐漸減小的。增大R角，輪緣最大等效應(yīng)力及裂紋處受力減小，裂紋產(chǎn)生的可能性也會降低。

3 結(jié) 論

本研究通過對燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子進行宏觀檢查、仿真計算等方法進行研究，得到了以下結(jié)論：

（1）只考慮溫度載荷的情況下，裂紋出現(xiàn)位置存在較大的周向壓應(yīng)力，是燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

（2）燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子強度滿足要求，開裂原因是在葉根倒角半徑與通道轉(zhuǎn)接處受到的熱應(yīng)力較大，并在離心載荷與振動載荷等綜合應(yīng)力作用下，發(fā)生疲勞開裂。

（3）增大燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子葉根倒角半徑角，輪緣最大等效應(yīng)力及裂紋處應(yīng)力減小，裂紋產(chǎn)生的可能性降低。

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責(zé)任編校：裴媛慧，陳 強

Analysis of Gas Turbine Rotor Rim Cracks a Engine

LI Weichao1，WU Wei1，TENG Xudong2，CHEN Shaojun1，REN Haotian2

（1.AECC Changzhou Lanxiang Machinery Co.，Changzhou 213022，China;

2.The Chinese Air Force Equipment Division Representative Office at Changzhou Area，Changzhou 213002，China）

Abstract：When the blade is cracked in the working process，it is very important to find out the reasons for the cracks，in order to solve this kind of failure and prevent the reoccurrence.In this study，the cracked gas turbine rotor is subjected to macro-inspection analysis，thermal stress analysis，strength analysis，and analysis of the effect of leaf root R on rim stress to determine the nature of the crack and the cause of the crack.The results show that the presence of large circumferential compressive stresses at the crack emergence location is a key factor in gas turbine rotor cracking when only temperature loading is considered.The strength of the gas turbine rotor meets the requirements， the reason for cracking is that the thermal stress at the leaf root R and the channel transfer is large， and under the combined stress of centrifugal load and vibration load， fatigue cracking occurs.Increasing the R angle of the rotor blade root of the gas turbine，the maximum equivalent force at the rim and the stress at the crack decreases，and the likelihood of cracking decreases.The findings of this study can provide a basis for the design and improvement of gas turbines.

Key words：turbine blade;crack analysis;thermal stress;strength analysis;fatigue fracture

收稿日期：2024-02-01

作者簡介：李偉超，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為航空發(fā)動機設(shè)計及結(jié)構(gòu)強度、振動方向。

?通訊作者：武 威，遼寧葫蘆島人，高級工程師，研究方向為航空發(fā)動機設(shè)計及結(jié)構(gòu)強度、振動方向。